[논문 리뷰] A consistency test of the cosmological model at the epoch of recombination using DESI BAO and Planck measurements

Levon Pogosian, Gong‐Bo Zhao외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 30.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 DESI 연간 1 BAO 데이터를 사용하여 재결합 시 음파 영역($r_{\rm d}$)을 자유 매개변수로 간주함으로써 표준 천체역학 모델을 재결합 시점에서 시험한다. 여기에 플랑크 CMB 음향 척도 $\theta_\star$와 $\Omega_{\rm m}h^2$의 사전 정보를 조합한다. 그 결과 $H_0 = 69.88 \pm 0.93$ km/s/Mpc를 도출하였으며, 이는 플랑크-$\Lambda$CDM 최적 적합 값보다 약 $2\sigma$ 높은 것으로, 표준 재결합 물리학과의 괴리와 잠재적인 새로운 물리학의 필요성을 시사한다.

ABSTRACT

The value of the Hubble constant determined from CMB and BAO measurements is directly dependent on the sound horizon at the photon-baryon decoupling. There has been significant interest in the possibility of new physics at the epoch around recombination that could reduce the sound horizon and increase the inferred value of $H_0$, thus helping to relieve the Hubble tension. One way to determine if new physics is required would be to measure $H_0$ from BAO and CMB without assuming any model for computing the sound horizon. In this study, we use the recently released DESI Year 1 BAO data combined with the CMB acoustic scale and the Planck $Λ$CDM prior on $Ω_{ m m} h^2$ to determine $H_0$ while treating the sound horizon at baryon decoupling $r_{ m d}$ as a free parameter. We find $H_0=69.48 \pm 0.94$ km/s/Mpc, which is $\sim2σ$ larger than $H_0 = 67.44 \pm 0.47$ km/s/Mpc in the Planck-best-fit $Λ$CDM where $r_{ m d}$ is derived using the standard recombination model. For comparison, we perform the same analysis using the pre-DESI BAO data with the CMB acoustic scale and the same prior on $Ω_{ m m} h^2$, finding $H_0= 68.05 \pm 0.94$ km/s/Mpc. This difference derives from the notably larger value of the product $r_{ m d}h$ measured by DESI. We compare results obtained with and without including the Pantheon Plus sample of uncalibrated supernovae magnitudes in our analysis. Future BAO data from DESI will help determine if the cosmological model at the epoch of recombination model requires a modification.

연구 동기 및 목표

• 표준 재결합 모델이 은하물질 탈리포화 시점의 음파 영역을 정확히 기술하는지 테스트하는 것.
• 이론적 가정에 기인한 잠재적 편향을 피하기 위해 재결합 모델을 가정하지 않고 $H_0$와 $r_{\rm d}$를 결정하는 것.
• 자기 매개변수로 간주할 때 DESI 연간 1 BAO 데이터가 CMB 음향 척도 $\theta_\star$와 일관된지 평가하는 것.
• 재결합 시 새로운 물리학으로 인해 음파 영역이 감소함으로써 관측된 $H_0$ 괴리가 해결될 수 있는지 평가하는 것.
• DESI Y1 BAO 결과를 사전 DESI BAO 및 플랑크-$\Lambda$CDM와 비교하여 $r_{\rm d}h$와 $H_0$에서의 이질성을 규명하는 것.

제안 방법

• 표준 재결합 모델을 통해 계산하는 대신 은하물질 탈리포화 시점의 음파 영역($r_{\rm d}$)을 자유 매개변수로 간주하는 것.
• DESI 연간 1 BAO 측정치를 활용하여 $r_{\rm d}H_0$와 $\Omega_{\rm m}$을 제약 조건으로 삼고, $\Omega_{\rm m}h^2$에 대해 정규 분포 사전 정보를 적용하는 것.
• CMB 음향 척도 $\theta_\star$를 추가 제약 조건으로 삼으며, 이를 두 번째 'BAO' 측정치로 간주하는 것.
• 이러한 제약 조건을 플랑크-$\Lambda$CDM의 $\Omega_{\rm m}h^2$ 사전 정보와 조합하여 $H_0$와 $r_{\rm d}$의 사후 분포를 유도하는 것.
• 표준 재결합을 가정한 플랑크-$\Lambda$CDM 최적 적합 값과 비교하여 유추된 $H_0$와 $r_{\rm d}$의 일관성 테스트를 수행하는 것.
• GetDist를 통한 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 사용하여 불확도와 사후 제약 조건을 계산하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DESI BAO 데이터로부터 추론된 은하물질 탈리포화 시점의 음파 영역이 $\Lambda$CDM 표준 재결합 모델이 예측한 값과 일치하는가?
• RQ2 음파 영역 $r_{\rm d}$를 자유 매개변수로 간주할 때, DESI BAO 및 CMB 데이터로부터 유추된 허블 상수는 플랑크-$\Lambda$CDM 최적 적합 값과 일치하는가?
• RQ3 재결합 모델을 가정하지 않고 도출된 $H_0$ 값은 SH0ES와 같은 직접 측정치 및 다른 SN 캘리브레이션과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 재결합 물리학에 의해 고정되지 않은 $r_{\rm d}$를 가정할 때, DESI Y1 BAO와 CMB 음향 척도 $\theta_\star$ 사이의 괴리는 어느 정도인가?
• RQ5 DESI Y1 BAO 데이터는 표준 모델보다 작은 음파 영역을 선호하는가? 이는 재결합 시 잠재적인 새로운 물리학을 암시하는가?

주요 결과

• 음파 영역 $r_{\rm d}$를 자유 매개변수로 간주할 때, DESI 연간 1 BAO, $\theta_\star$, $\Omega_{\rm m}h^2$ 사전 정보를 조합한 결과 허블 상수는 $H_0 = 69.88 \pm 0.93$ km/s/Mpc로 도출되었다.
• 이 값은 표준 재결합 물리학을 가정한 플랑크-$\Lambda$CDM 최적 적합 값인 $H_0 = 67.44 \pm 0.47$ km/s/Mpc보다 약 $2\sigma$ 높으며, 이는 괴리의 존재를 시사한다.
• DESI Y1 BAO 데이터는 플랑크-$\Lambda$CDM 최적 적합 값보다 더 큰 $r_{\rm d}h$ 제품을 선호하며, 이는 표준 모델 예측보다 작은 음파 영역을 의미한다.
• DESI Y1 BAO와 $\theta_\star$의 조합은 BAO와 $\Omega_{\rm m}h^2$만을 사용할 때보다 $H_0$의 불확도를 절반으로 줄였고, 중심 값은 거의 그대로 유지되었다.
• 음파 영역 $r_{\rm d}$가 자유일 때, DESI Y1 BAO 데이터는 CMB 음향 척도 $\theta_\star$와 더 나은 일치를 보이며, 재결합 물리학을 가정하지 않을 경우 CMB와의 일관성이 있음을 시사한다.
• 사전 DESI BAO 데이터는 동일한 방법으로 $H_0 = 67.37 \pm 0.96$ km/s/Mpc를 도출하였으며, DESI Y1보다 더 작은 $r_{\rm d}h$를 보이며 BAO 측정치의 진화 또는 시스템적 오차 가능성을 암시한다.